CC BY
32
УДК 696.2:662.767.7
МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕГИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ СЖИЖЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА
Н.Н.Осипова1
Саратовский государственный технический университет, 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77.
Представлены результаты экономико-математического моделирования систем снабжения сжиженным углеводородным газом на базе газонаполнительных станций через промежуточные газонаполнительные пункты с реальной привязкой к местности. Ил. 4. Табл.1. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: газоснабжение; сжиженный углеводородный газ; газонаполнительный пункт; оптимизация параметров.
MODELING OF REGIONAL GAS SUPPLY SYSTEMS ON THE BASIS OF LIQUEFIED HYDROCARBON GAS N.N. Osipova
Saratov State Technical University, 77 Polytechnicheskaya Str., Saratov, 410054.
The article presents the results of the economic and mathematical modeling of liquefied hydrocarbon gas supply systems on the basis of gas filling stations through intermediate refueling points with the real location referencing. 4 figures. 1 table. 4 sources.
Key words: gas supply; liquefied petroleum gas; gas-filling station; parameter optimization.
В настоящее время на территории Российской Федерации имеется значительное количество регионов и областей, не имеющих природного сетевого газа: Хабаровский, Красноярский и Алтайский края, Амурская, Архангельская, Мурманская области и т.д. В значительной степени сложившаяся ситуация обусловлена удаленностью этих регионов от газовых месторождений и магистральных газопроводов, отсутствием крупных промышленных центров и малой плотностью населения. Аналогичная ситуация будет сохранена и на обозримую перспективу. Отсутствие сетевого газа и невозможность прокладки магистральных газопроводов в перспективе, предопределяют широкое развитие в этих регионах альтернативных сервисных источников топливно-энергетических ресурсов на базе сжиженного углеводородного газа (СУГ). Применение сжиженного углеводородного газа в качестве энергоносителя для технологических установок, а также бытовых и хозяйственных нужд, в полной мере отвечает социальным, экологическим и санитарно-гигиеническим требованиям малых потребителей.
Снабжение потребителей сжиженным углеводородным газом в этом случае предусматривается по двум основным схемам:
-одноступенчатой (через газонаполнительные станции);
-двухступенчатой (от распределительных газонаполнительных станций через промежуточные газонаполнительные пункты).
Применение одноступенчатых схем газоснабжения целесообразно при оснащении потребителей ре-
зервуарными установками СУГ [1]. При наличии смешанной схемы газоснабжения (баллонные и резерву-арные установки) целесообразно применение двухступенчатых схем газоснабжения с использованием промежуточных газонаполнительных пунктов (ГНП). В этом случае доставка газа с газонаполнительных станций (ГНС) на ГНП производится автоцистернами с последующим сливом в резервуары хранилища и дальнейшая реализация СУГ предусматривает заправку газовых баллонов, которые доставляются непосредственно потребителям с помощью баллоново-зов.
Применение промежуточных газонаполнительных пунктов существенно снижает транспортную составляющую затрат в систему газоснабжения. Основная часть транспортных расходов в пределах радиуса действия ГНС приходится на доставку СУГ с ГНС на ГНП, которая осуществляется по более дешевому варианту (автоцистернами), в то время как более дорогой вариант доставки СУГ (баллоновозами) ограничивается радиусом действия ГНП.
Для выявления оптимальных параметров двухступенчатых систем газоснабжения с использованием промежуточных ГНП были проведены соответствующие технико-экономические исследования.
В общем случае, для двухступенчатой схемы газоснабжения целевая функция задачи имеет следующий вид функционала:
З = f (Зр ; Зр ; З ; Зб ; Зб ; З ) =
J v гнс > ат> гни> ат > бу> ру'
= f (Ro, Rhu ) = min ,
(1)
где Зрнс - удельные приведенные затраты по газона-
1Осипова Наталия Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры теплогазоснабжения и вентиляции,
e-mail: osnat75@mail.ru
Osipova Natalia, Candidate of technical sciences, Associate Professor, e-mail: osnat75@mail.ru
полнительной станции при реализации газа в автоцистернах, руб/т; Зрт, Збат - удельные приведенные затраты в доставку газа автомобильным транспортом (автоцистернами и баллоновозами), руб/т; Згнп -удельные приведенные затраты в газонаполнительный пункт, руб/т; Зру - удельные приведенные затраты
в резервуарные установки потребителя, руб/т; Збу -
удельные приведенные затраты в баллонные установки потребителя, руб/т; Я0 - радиус действия ГНС, км; Ягнп - радиус действия ГНП, км.
В свою очередь, удельные приведенные затраты в газонаполнительную станцию и газонаполнительный пункт зависят от их годовой пропускной способности (мощности) и определяются по выражениям
зр =-Ар
N°.
З = -Аб
гнп
N0
(2)
(3)
где Ар, Аб- стоимостные параметры, численные значения которых зависят от способа реализации газа через резервуарные и баллонные установки [2]; N.., Nннп- годовая пропускная способность ГНС при реализации газа через резервуарные установки и ГНП при реализации газа через баллонные установки, т/год.
Полагая, что потребители газа распределены по газоснабжаемой территории равномерно с плотностью газопотребления ц, т/(год-км2), можно записать:
NнИC (4)
N гнП =пдКп (1 -в), (5)
где в - доля потребителей (квартир), получающих газ от резервуарных установок в общем объеме газопотребления.
Удельные приведенные затраты в доставку газа автомобильным транспортом при его реализации через резервуарные и баллонные установки определяются по выражениям
(6) (7)
ЗРат = ар + 0,8ЬрЯ0;
Збт = р6 + 0,8Ьб Яг нп;
где Рр
Ьр, Ьб - стоимостные параметры, числен-
ные значения которых зависят от дорожных условий и вида автомобильного транспорта (автоцистерны или баллоновозы) [2].
В результате детальной проработки целевой функции (1) с использованием выражений (2)-(7) была разработана экономико-математическая модель оптимального функционирования региональных двухступенчатых систем снабжения сжиженным газом [2]:
- при смешанной схеме снабжения через баллонные и резервуарные установки (0< в<1), целевая функция задачи (1) примет следующий вид:
З = ■
Ар
_0,8 0.8р1,6 р р 0 _0,8 0.8 Г>1,6 /0\
П Ч Я0 П Ч Ягнп (8)
+(Рб + 0,8Ьб ягнп )(1 -в)+Зрв+Збу (1 -в); - при снабжении потребителей СУГ только через баллонные установки (в=0) целевая функция задачи (1) примет вид
+рр + 0,8Ьр я + Аб0(1 в°'2 +
З =
А
0,80^. + Рр + 0,8Ьр Я + П Ч Я0
Аб
(9)
^уяп
+ (Рб + 0,8Ьб Ягнп) + ЗЛ;
- при снабжении потребителей только через ре-зервуарные установки (в=1) целевая функция задачи (1) примет вид
З = -
Ар
л8„0.8ы,6- + рр + 0,8ьр я» + зру •
(10)
В целях численной реализации предложенной модели были проведены соответствующие расчеты. В расчетах использовались следующие исходные данные:
- плотность газопотребления на территории, прилегающей к ГНС: ч =0,5; 1,0; 2,0; 4,0 т/(год-км2);
- схемы снабжения потребителей СУГ: от индивидуальных газобаллонных установок, от индивидуальных (групповых) резервуарных установок;
- характеристика дорожной сети при доставке газа с ГНС автоцистернами: дороги с асфальтобетонным покрытием - 85% пути, дороги со смешанным типом покрытия (переходный тип покрытия и грунтовые дороги) - 15% пути;
- то же при доставке газа с ГНП в баллоновозах: дороги с асфальтобетонным покрытием - 50% пути, дороги со смешанным типом покрытия (переходный тип покрытия - 30% и грунтовые дороги - 20%) - 50% пути ;
- характеристика застройки поселков: усадебная (коттеджная) с компактной планировкой - 50%, с разбросанной планировкой - 50% от общей застройки;
-доля газа, реализуемая через резервуарные установки: в =0; 0,5; 0,8.
Результаты расчетов представлены на рис. 1 и 2. Как видно из графиков, оптимальные параметры региональных систем снабжения СУГ существенно изменяются в зависимости от плотности газопотребления на газоснабжаемой территории и доли газа, реализуемого через резервуарные установки. Указанные обстоятельства необходимо учитывать в проектной практике путем привязки проектных решений к конкретным условиям газоснабжаемой территории.
Как показывают результаты исследований, допустимый интервал радиуса действия газонаполнительных пунктов в зависимости от плотности газопотребления на газоснабжаемой территории изменяется в пределах от 25-42 км ( ч =0,5 т/год-км2) до 12-24 км ( ч =4,0 т/год-км2). При этом площадь территории, снабжаемой газом от одного ГНП, изменяется в пределах от 1962-5539 км2 до 452-1808 км2. Таким образом, в реальном диапазоне изменения параметра ч допус-
50
" 40
С*
и
30
в ЕЙ
О
«
о
Ц 20
«
Й
к ^
5 10
2100 1900 1700 1500 1300 1100 900 700 500
300 100
^ <0
^ 10» Р=05-
V ^
\ ^ . / \ Г-5"*1— «х-
/ «И"» Р=0. 8
г / /
/ / ✓
1 / - / 1 ** ** * у в=о
/ / * <
0,5
4,0
1,0 2,0 3,0
Плотность газопотребления ц, т/(год к м2)
Рис. 1. Оптимальные параметры газонаполнительного пункта СУГ:--------оптимальная мощность ГНП;
_- оптимальный радиус действия ГНП; в - доля потребителей, получающих газ от резервуарных
установок, в общем объеме газопотребления
300
■В-о
о ^
о 260
О
X и
в Е-
£ и Ч о
а
5В
в в
в
ев С
220
180
140
100
140
(1-
о
^ 120
а
о %
О ¡ц
1-н 100
в е-
о с к
в
с
80
60
40
2
0,5
1,0
2,0
3,0
4,0
2
Плотность газопотребления ц, т/(год км ) Рис. 2. Оптимальные параметры газонаполнительной станции СУГ: 1 - оптимальный радиус действия ГНС; 2 - оптимальная мощность ГНС
тимый интервал изменения площади газоснабжаемой территории составляет 452-5539 км2, что соответствует реальной площади большинства административных районов субъектов Российской Федерации.
В связи с этим, газонаполнительные пункты следует интерпретировать как опорные пункты районного газоснабжения. Такой подход обеспечивает не только экономические преимущества систем газоснабжения
0
Координаты местонахождения населенных пунктов, км Обозначения населенных пунктов при объеме газопотребления, т/год
1, <1 =700 2, <2 =900 3, < =300 4, <=1100 5, < =800 6, < =500
х 5 0 5 19,6 24,85 29,7
у, 24,4 15 5 14,5 25,2 0
за счет их оптимальной централизации, но также создает благоприятные предпосылки по совершенствованию организационной структуры газораспределительной системы за счет закрепления ГНП за соответствующими газовыми хозяйствами (районные газовые участки соответствующих межрайгазов).
При реальном проектировании систем снабжения сжиженным газом через промежуточные ГНП важную роль играет правильный выбор местоположения ГНП на территории административного района. Сформулируем задачу следующим образом. В административном районе имеется п населенных пунктов - потребителей сжиженного газа с годовым потреблением
й, <2,......<. Требуется найти положение ГНП из
условия, что суммарные приведенные затраты по доставке СУГ во все населенные пункты будут минимальными.
Нанесем на плане территории административного района координатную сетку и зафиксируем координаты потребителей: х1,у1; х2,у2..... х,,у . Обозначим
координаты посадки газонаполнительного пункта через х и у (рис.3).
й I
К
ч &
£
Координата х км
Рис.3. Расчетная схема задачи
Радиус доставки СУГ с ГНП до /'-го населенного пункта определяется по формуле
Г = л/(х - X )2 + (у - у,.)2. (11)
Дальность доставки СУГ с ГНП до /-го населенного пункта по автомобильным дорогам [3]:
¡1=1,2 п=иТсХ-ХТ^сУ-У)1 (12)
Годовые приведенные затраты по доставке СУГ с ГНП до /-го населенного пункта определяются по формуле
3, = < (а +1,(13)
где а, Ь - стоимостные параметры, численные значения которых зависят от дорожных условий и вида автомобильного транспорта [2]; ¡1 - дальность доставки СУГ по автомобильным дорогам до /-го населенного пункта, км; < - годовое потребление газа /-м населенным пунктом, т/год.
Общие приведенные затраты по доставке СУГ с ГНП во все населенные пункты
3 = Х 3,( X,; у,) =
,=1
=х < (а+1,2Ь ТсХ-ХТ^сУ-У)7).
(14)
Для нахождения минимума приведенных затрат необходимо продифференцировать целевую функцию по управляющим параметрам х и у и приравнять к нулю:
1,2 < (х - х,)
53 = ^ дх '=1^(х - х, )2 + (у - у )2
д3
1,2 < (у - у,)
= 0
= 0
ду ,=1 х - х, )2 + (у - у )2 ^
(15)
Решая полученную систему уравнений, находим искомые координаты газонаполнительного пункта х , у. Предложенная математическая модель (11)—(15) была реализована с помощью программного обеспечения на ЭВМ с использованием среды программирования С++ВиНСег 6.0 [4].
В целях практической реализации предложенной экономико-математической модели были проведены расчеты на ЭВМ с использованием программы по определению оптимального размещения ГНП на территории газоснабжаемого района.
Объемы годового газопотребления и координаты населенных пунктов приводятся в таблице.
Результаты расчета на ЭВМ представлены на рис.4. Как видно из рис 4, оптимальное расположение ГНП имеет координаты х =18,414 км и у =15,12 км. В данной точке необходимо расположить газонаполнительный пункт, чтобы суммарные приведенные затраты по доставке СУГ во все обозначенные населенные пункты были минимальными.
Поскольку эффективное функционирование ГНП требует соответствующей дорожной и инженерной инфраструктуры (подъездные пути, наличие электро-, водотеплоснабжения и т.д.), фактическое расположение ГНП необходимо привязывать к ближайшему на-
;=1
Рис. 4. Отображение окна программы на экране монитора персонального ЭВМ при определении оптимального
местоположения ГНП
селенному пункту. В данном примере - потребитель 4 с координатами х =19,6 км и у =14,5 км.
Как показывают результаты исследований, использование двухступенчатых систем газоснабжения на базе газонаполнительных станций с промежуточными газонаполнительными пунктами позволяет увеличить площадь территории газоснабжения за счет
оптимизации структуры доставки газа потребителю при баллонном и резервуарном снабжении СУГ. Программное моделирование на ЭВМ позволяет осуществить выбор местоположения промежуточных ГНП с привязкой к реальной местности с учетом минимальных приведенных затрат в систему газоснабжения потребителя.
Библиографический список
1. Осипова Н.Н. Оптимальная централизация региональных систем снабжения сжиженным газом при реализации СУГ непосредственно от газонаполнительной станции // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: сб. науч. тр. Саратов: ГОУ ВПО СГТУ, 2007. С.62-71.
2. Осипова Н.Н. Централизация региональных систем снабжения сжиженным газом // Теоретические основы теплогазо-снабжения и вентиляции: матер. Второй междунар. техн. конф. Москва, 21 ноября 2007 г. М: ГОУ ВПО МГСУ, 2007.
С.322-327.
3. Курицын Б.Н., Осипова Н.Н., Смирнова Л.В. Оптимизация региональных систем снабжения сжиженным углеводородным газом // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. 2009. № 3 (15). С. 7-13.
4. Свидетельство о госуд. регистрации программы для ЭВМ № 2009612726 Оптимизация параметров систем газоснабжения на базе газонаполнительных пунктов: авт. Осипова Н.Н; правообладатель Саратовский гос. техн. ун-т. № 18-14п/2009. Российская Федерация. Зарегистр. 28 мая 2009.
